熱驅(qū)動形狀記憶聚合物主要通過溫度變化來實現(xiàn)形狀記憶和回復,因此熱力學本構(gòu)模型對其結(jié)構(gòu)設計、力學特性和回復效果的預測具有重要作用�？偨Y(jié)了近幾十年來熱驅(qū)動形狀記憶聚合物熱力學本構(gòu)模型的發(fā)展動態(tài),對相轉(zhuǎn)變理論、粘彈性理論及兩者相結(jié)合的方法進行了綜述。評述了纖維增強和編織物增強形狀記憶復合材料幾種主要的熱力本構(gòu)模型。對熱驅(qū)動形狀記憶聚合物及其復合材料熱力學本構(gòu)模型的不足之處作了簡要討論,并展望了今后形狀記憶聚合物及其復合材料本構(gòu)模型的發(fā)展方向。 

【文章來源】：塑性工程學報. 2020年05期 北大核心

【文章頁數(shù)】：15 頁

【部分圖文】：

線性粘彈性流變學模型示意圖

形狀記憶聚合物及其復合材料在受到特定刺激(電、光、磁、熱等)后，可以從其變形的形狀回復到其初始的形狀。其中以熱驅(qū)動的形狀記憶最為普遍。典型的熱驅(qū)動形狀記憶材料的形狀記憶循環(huán)如圖1所示[4]，一般分為以下步驟:(1)將材料加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg或者融化溫度Tm以上，并加載使其變形到特定形狀;(2)保持變形并降溫;(3)待降溫過程結(jié)束后進行卸載;(4)將材料再次加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg或者融化溫度Tm以上，使材料自動回復其初始形狀[4]。由于整個形狀記憶循環(huán)與載荷和溫度密切相關，因此需要對形狀記憶聚合物及其復合材料的熱力學特性有更加深入的認識，并將其引入力學本構(gòu)模型，以更好地完成形狀記憶聚合物及其復合材料結(jié)構(gòu)和形態(tài)的設計，優(yōu)化形狀記憶聚合物及其復合材料的加工和應用。自20世紀80年代形狀記憶聚合物被發(fā)現(xiàn)以來，學者們對形狀記憶聚合物的本構(gòu)模型進行了大量的研究。早期的模型主要是小應變、流變學模型，通過彈簧和黏壺的組合來描述聚合物的形狀記憶效應。這些模型雖然可以在一定程度上描述聚合物的形狀恢復過程，但其預測能力有限，且僅限于一維變形的情況。近年來的模型逐漸向三維、大應變的方向發(fā)展，從形狀記憶效應內(nèi)在的物理機理上描述聚合物的形狀恢復過程。本文回顧了熱驅(qū)動SMP和SMPC的力學本構(gòu)模型，討論了這些模型存在的問題，以及今后SMP和SMPC力學本構(gòu)模型的發(fā)展方向。

根據(jù)SMP的形狀記憶效應機理，SMP在高溫和低溫下具有明顯不同的力學特性。相轉(zhuǎn)變模型將高溫和低溫下的SMP分別假設為兩個不同的相，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的活躍相和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的凍結(jié)相，如圖2所示，且這兩個相可以隨著溫度的變化而相互轉(zhuǎn)變[6]。SMP整體在不同溫度下的力學特性可以通過活躍相和凍結(jié)相的力學特性以及不同相的體積分數(shù)來表達。同時，相轉(zhuǎn)變模型往往引入類似“儲存變形”的物理參數(shù)來表達SMP形狀的固定和恢復，從而實現(xiàn)SMP形狀記憶效應的數(shù)學表達。LIU Y P等[6]提出了小應變的相轉(zhuǎn)變理論來描述SMP的形狀記憶效應，認為活躍相的分子鏈運動能力較強，其變形通過構(gòu)象的變化來實現(xiàn);凍結(jié)相的分子鏈運動能力較弱，其變形通過內(nèi)能的變化來實現(xiàn)。隨著溫度的降低，凍結(jié)相的體積分數(shù)升高而活躍相的體積分數(shù)降低，兩相之間的相互轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了形狀記憶效應。該模型采用了均勻應力假設，即假設材料點在經(jīng)過玻璃化轉(zhuǎn)變前的活躍相和玻璃化轉(zhuǎn)變后的凍結(jié)相中具有相同的應力，即活躍相和凍結(jié)相應力相等。式中:σa為活躍相應力;σf為凍結(jié)相應力;σ為基體總應力。


本文編號：2944499